MỞ ĐẦU Hiện nay, công nghệ thông tin đƣợc xem là một ngành mũi nhọn của mỗi quốc gia, đặc biệt là các quốc gia đang phát triển, công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hoá nhƣ nƣớc ta. Sự bùng nổ thông tin và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật số, công nghệ thực tại ảo đã mở ra nhiều hƣớng mới cho sự phát triển của phần mềm trong đó có lĩnh vực biểu diễn và hiện thị hình ảnh 3D. Trong lĩnh vực biểu diễn, hiển thị hình ảnh 3D có hai phần chính là tạo mô hình bề mặt (Modeling) và tạo sự chuyển động cho mô hình (Animation). Việc tạo mô hình 3D thƣờng thực hiện thông qua sử dụng máy quét 3D hoặc các phần mềm chuyên dụng phổ biến hiện nay là Maya, 3DS Max…, mỗi phần mềm có ƣu việt riêng của mình, song ở Việt Nam 3DS Max đƣợc biết đến nhiều qua việc ứng dụng trong các lĩnh vực thiết kế, kiến trúc, xây dựng.
Nhƣng có một đặc tính chung là các phần mềm chỉ chú trọng việc đƣa ra kết quả dƣới dạng phim, ảnh, còn hình ảnh đƣa ra dƣới dạng Object phục vụ cho các hoạt động điều khiển sau đó trong môi trƣờng đồ họa 3D thƣờng là rất nặng, tốn kém nhiều tài nguyên của máy tính. Hiện nay công nghệ phần cứng phát triển mạnh có hỗ trợ cho việc hiển thị hình ảnh 3D, nhƣng vẫn chƣa đáp ứng đƣợc đầy đủ “không gian” cho việc xử lý hình ảnh, tốc độ cao bộ xử lý tuy nhanh song với một mô hình lớn nó cũng trở lên chậm chạp. Vậy vấn đề đặt ra là việc giám thiểu không gian lƣu trữ của mô hình, có thể tích hợp nhiều mô hình với nhau để tạo ra mô hình lớn mà vẫn đáp ứng đƣợc các yêu cầu điều khiển sau đó [1]. Có nhiều kỹ thuật giảm thiều không gian lƣu trữ bằng cách sử dụng các kỹ thuật nén ảnh, nhƣng các kỹ thuật phổ biến hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng để giảm thiểu không gian lƣu trữ là loại bỏ bớt số mặt phẳng đa giác biểu diễn của vật thể ban đầu để thu đƣợc mô hình có ít mặt đa giác hơn mà vẫn đảm -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bảo về mặt hình dạng của mô hình đó.
Hiện nay ở nƣớc ta việc ứng dụng công nghệ cao trong các ngành, các lĩnh vực là rất phổ biến trong đó có lĩnh vực đồ họa 3D, song các nghiên cứu về nó còn chƣa nhiều. Từ những lý do kể trên cùng với gợi ý của thầy hƣớng dẫn học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật rút gọn bề mặt mô hình 3D” Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Mô hình 3D đối tƣợng - Phạm vinghiên cứu: Đối tƣợng riêng lẻ và đƣợc biểu diễn bởi bề mặt lƣới đa giác, quan tâm đến chất liệu che phủ bề mặt. Phương pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu, phân tích, đánh giá các phƣơng pháp. - Phƣơng pháp trao đổi khoa học, lấy ý kiến chuyên gia.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: xây dựng chƣơng trình cụ thể để thử nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả đạt đƣợc. Luận văn gồm ba phần chính: Chƣơng 1. Khái quát về đồ họa 3D và bài toán rút gọn Chƣơng 2. Một số kỹ thuật rút gọn bề mặt mô hình 3D Chƣơng 3.Chƣơng trình thừ nghiệm.
-2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN RÚT GỌN Nội dung chính của chương sẽ trình bày những khái niệm cơ bản về đồ họa ba chiều theo định hướng của đề tài và sơ lược bài toán rút gọn bề mặt mô hình 3D. Khái quát về đồ họa 3D 1. Đồ họa 3D là gì? Các lĩnh vực đồ họa máy tính liên quan đến việc tạo ra và hiển thị các đối tƣợng ba chiều trong một không gian hai chiều (ví dụ, màn hình hiển thị) là đồ họa 3D. Trong đó, điểm ảnh trong một hình ảnh 2 chiều có các thuộc tính của vị trí, màu sắc, và độ sáng, một điểm ảnh 3D cho biết thêm một thuộc tính chiều sâu cho biết điểm nằm trên một trục Z tƣởng tƣợng.
Khi đƣợc kết hợp nhiều điểm ảnh 3D, với mỗi giá trị chiều sâu riêng của mình, kết quả là ta có một bề mặt ba chiều. Ngoài ra, đồ họa 3D cũng hỗ trợ nhiều đối tƣợng tƣơng tác với nhau. Ví dụ, một vật rắn, một phần có thể ẩn đằng sau nó. Cuối cùng, máy tính xử lý với các kỹ thuật sử dụng trong không gian 3D để hiển thị vật thể thực tế với chiều sâu của nó.
Mục đích chính của đồ họa 3D là tạo ra và mô tả các đối tƣợng, các mô hình trong thế giới thật bằng máy tính sao cho càng giống với thật càng tốt. Việc nghiên cứu các phƣơng pháp các kỹ thuật khác nhau của đồ họa 3D cũng chỉ hƣớng đến một mục tiêu duy nhất đó là làm sao cho các nhân vật, các đối tƣợng, các mô hình đƣợc tạo ra trong máy tính giống nhƣ thật, có dung lƣợng lƣu trữ và xỉ lý tối ƣu nhất. Và một trong các phƣơng pháp đó là rút gọn mô hình 3D. Có rất nhiều khái niệm khác nhau về đối tƣợng 3D, song một cách chung nhất chúng ta có thể hiểu nhƣ sau: Một đối tƣợng 3D chính là đại diện trừu tƣợng của một đối tƣợng trong thế giới thực hoặc một đối tƣợng do chúng ta tƣởng tƣợng ra đƣợc xây dựng và biểu diễn trong môi trƣờng máy tính.
Trong -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đó, nó bao gồm hai thành phần chính: thứ nhất là một mô hình 3D biểu diễn hình học và màu sắc của đối tƣợng, thứ hai là các thuộc tính, sự ràng buộc và các mối quan hệ giữa các thành phần của đối tƣợng đó. Chúng ta có thể lấy một ví dụ nhỏ về đối tƣợng 3D là một nhân vật đƣợc mô hình hóa và biểu diễn trên máy tính. Nhân vật 3D này sẽ bao gồm: thứ nhất là một mô hình 3D chính là phần hình học và màu sắc để biểu diễn các đƣờng nét, hình dáng của nhân vật (phần tĩnh), thứ hai là các thuộc tính ràng buộc về các cơ quan, bộ phận của nhân vật (phần động), điều này rất quan trọng khi chúng ta thực hiện các thao tác biến đổi lên mô hình để tạo ra sự di chuyển hay thực hiện các hành động của nhân vật. Chúng ta có thể hình dung cụ thể hơn qua Hình 1.
Đối tượng 3D Mô hình 3D của nhân vật hay phần hình học (đƣờng màu xanh thẫm) tạo nên hình dáng của đối tƣợng, sự ràng buộc về cấu trúc (các khung hình xanh lá cây) và các ràng buộc cử chỉ (màu vàng). Tất cả các yếu tố đó tạo nên đối tƣợng nhân vật hoạt hình 3D. Các thành phần cơ bản của đồ họa 3D. Sence: Là thành phần chứa tất cả các đối tƣợng của không gian 3D, các đối tƣợng này đƣợc lƣu trữ trong cấu trúc dữ liệu dạng cây.
-4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Camera: Xác định điểm nhìn mà chúng ta đang xem Sence, đƣợc dùng để thay đổi góc nhìn, hƣớng nhìn, trọng tâm điểm nhìn. Viewport: Là vùng chứa những đối tƣợng mà Camera có thể nhìn thấy, thể hiện một phần trong Sence 3D. Tùy trong từng viewport đối tƣợng có những biến đổi khác nhau, ví dụ nhƣ khi ta nhìn ngôi nhà ở vị trí gần thì các chi tiết, thuộc tính về ngôi nhà đó càng nhiều; ở một góc nhìn khác rất xa thì ta chỉ còn lại hình thù của căn nhà đó (là khối hình hộp) các thông thuộc tính của nó ít đi, thậm chí ta không còn nhìn thấy các ô cửa của nó… Vậy để mô hình đối tƣợng 3D giống nhƣ thế giới thực ta có rất nhiều kỹ thuật phải nghiên cứu, trong đó có rút gọn bề mặt mô hình 3D. Trong khuôn khổ và phạm vi nghiên cứu của luận văn này, mục này chủ yếu trình bày về phần hình học lƣới bao phủ bề mặt của đối tƣợng hay mô hình 3D của đối tƣợng và cụ thể là lƣới tam giác (Phần 1.
Nhƣ đã đề cập, một mô hình 3D bao gồm hai thành phần chính: thứ nhất là cấu trúc hình học tạo nên hình dáng của đối tƣợng (Geometry), thứ hai là chất liệu tạo nên đối tƣợng (Material). Chúng ta có thể hình dung rõ hơn trong Hình 1. Ví dụ về cấu trúc của mô hình 3D: Hình 1. Cấu trúc mô hình 3D -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vertexts: Tập các tọa độ điểm, nó bao gồm 3 giá trị X,Y,Z mô tả về vị trí trong không gian và nó là thành phần nhỏ nhất của một mô hình 3 chiều.
Indexs: Tập này sẽ mô tả việc các điểm sẽ kết nối với nhau nhƣ thế nào để tạo nên các đa giác. Geometrys: Là tập các đa giác (tam giác hay tứ giác) tạo nên bề mặt hình học của đối tƣợng. Tập này đƣợc tạo nên từ hai tập trƣớc đó là vertexts và indexs. Textcoords: Tập này sẽ mô tả việc ánh xạ màu sắc lên bề mặt của đối tƣợng.
Texture: Là tập màu sắc dùng để ánh xạ lên bề mặt đối tƣợng 3 chiều. Tập này thƣờng là tập các ảnh 2D. Material: Là tập các thuộc tính mô tả tính chất bề mặt của đối tƣợng, nó bao gồm các thông tin mô tả về tính chất của bề mặt nhƣ: độ nhạy sáng, màu sắc, trong suốt hay không trong suốt … Có thể hiểu đây chính là các thông tin mô tả về chất liệu của đối tƣợng. Mỗi một cấu trúc đồ họa thì các thành phần này lại đƣợc tổ chức sắp xếp và lƣu trữ khác nhau, nhƣ trong VRML thì các thành phần này đƣợc tổ chức theo dạng phân cấp hình cây.
Các dạng mô hình 3D: Ở đây luận văn chỉ đề cập đến hai dạng mô hình 3D chính là mô hình đa giác (Polygon) rời rạc và mô hình liên tục. Mô hình đa giác (Polygon) Mô hình đa giác là các dạng mô hình mà ở đó bề mặt của đối tƣợng bao gồm nhiều bề mặt đa giác phẳng, có thể tạo ra đối tƣợng từ một bề mặt đa giác hoặc một mạng các bề mặt đa giác. Ta có thể sử dụng bề mặt đa giác để mô hình bất kỳ hình dáng bề mặt nào và đặc biệt hữu ích đối với những dạng đơn giản, với đối tƣợng thuộc lớp động vật, ngƣời, đối tƣợng đòi hỏi một cái nhìn tổng quan với độ trơn cao. Các đối tƣợng nguyên thuỷ của polygon bao gồm (Hình 1.3): -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.